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Desarrollo de un Nanofluido para la Estabilización de Finos en la Formación Barco del Campo
Cupiagua
Carolina Céspedes Chávarro
Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín
Facultad de Minas
Medellín, Colombia
2015
Desarrollo de un Nanofluido para la Estabilización de Finos de la Formación Barco del Campo
Cupiagua
Carolina Céspedes Chávarro
Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título
de:
Magister en Ingeniería de Petróleos
Director (a):
PhD. Farid B. Cortés
Grupo de Investigación
Fenómenos de Superficie – Michael Polanyi
Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín
Facultad de Minas
Medellín, Colombia
2015
A mi hija María José, mi vida entera.
A mi esposo por su amor, paciencia,
Compañía y constante apoyo
A mis padres por su amor incondicional
A mis hermanas por su cariño.
Un especial agradecimiento a
La Empresa Colombia de Petróleos,
Ecopetrol y a la Facultad de Minas de la
Universidad Nacional sede Medellín,
Por su apoyo en el desarrollo
De este proyecto de Investigación.
Resumen y Abstract VII
Resumen
Actualmente en el mundo se estudia el uso de nanopartículas debido a sus
características de relación área/volumen, facilidad de síntesis, alteración de su superficie
y tamaño que permiten ser implementados en el yacimiento para procesos EOR/IOR y/o
en procesos de estimulación para la remediación/inhibición de los daños de producción
sin ningún tipo de problema por bloqueo o taponamiento. Particularmente, este trabajo
está orientado a la retención de la migración de finos en medios porosos a partir de
nanofluidos debido a la posibilidad de alterar las fuerzas de repulsión que promueven el
movimiento de finos. Este comportamiento se debe al aumento de la magnitud de las
fuerzas de atracción comparada con la magnitud de las fuerzas de repulsión por el uso
de nanopartículas. En este sentido, se plantea un trabajo experimental, por medio del
cual se evalúa la capacidad de inhibición que tienen determinadas nanopartículas en el
desplazamiento de finos. En esta tesis se realizará la síntesis de nanopartículas de sílice
(SiO2), nanopartículas magnéticas de hierro (Fe3O4), y nanopartículas magnéticas de
sílice/hierro tipo cascara – núcleo. Los lechos adsorbentes usados para la evaluación de
los tratamientos fueron preparados con arena Ottawa y esferas de vidrio. Cada uno de
los tres tipos de lechos, fueron remojados con nanopartículas de sílice, hierro y
sílice/hierro. La suspensión de finos se preparó con base en una composición química
promedio del campo Cupiagua. Los lechos impregnados con nanopartículas de hierro
presentaron mayor capacidad de estabilización de finos debido a su carácter magnético,
seguido por los lechos impregnados con sílice y de los lechos impregnados con
nanopartículas tipo Core Shell, el comportamiento de estas últimas relacionado con la
poca adherencia de las nanopartículas a la superficie de la arena y las esferas de vidrio,
disminuyendo la cantidad de estas en cada lecho y por tanto su efecto. A condiciones de
presión y temperatura de yacimiento se evalúo la tasa crítica antes y después del
tratamiento base nanotecnología con resultados que mostraron un aumento del 400% en
VIII Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación Barco del
campo Cupiagua
la velocidad crítica respecto al medio poroso sin tratar, lo cual demuestra la eficacia de
este tipo de tratamientos para inhibir el desprendimiento, la aglomeración y la
depositación de los finos.
Palabras clave: Nanotecnología, Inhibición, Adsorción, Daño de formación, Migración de
finos.
Abstract
Currently in the world nanoparticles are studied due to its characteristics of area / volume,
¨the ease of synthesis, altering its surface and size that allow to be deployed in the field
for EOR / IOR and / or stimulation processes remediation / inhibition of production
damages without any problem by blocking or plugging. Particularly, this work is aimed at
the retention of fines migration in porous media from nanofluids due to the possibility of
altering the repulsive forces that promote the movement of fines. This behavior is due to
the increase in the magnitude of the attractive forces compared to the magnitude of the
repulsive forces by using nanoparticles. Experimental works is proposed, whereby the
ability to inhibit certain nanoparticles having fine displacement is evaluated. In this thesis
the synthesis of nanoparticles of silica (SiO2), magnetic nanoparticles of iron (Fe3O4)
and magnetic nanoparticles of silica / iron shell type is performed. The adsorbent beds
used for evaluating treatments were prepared with Ottawa sand and glass spheres. Each
of the three types of beads was soaked with silica nanoparticles, silica and iron / iron. The
fine suspension was prepared based on an average chemical composition Cupiagua
field. The beads impregnated with iron nanoparticles showed higher capacity of stabilizing
fine due to its magnetic character, followed by the beads impregnated with silica and of
tables impregnated with nanoparticles type Core Shell, the behavior of the latter related to
the poor adherence of the nanoparticles to the surface of the sand and the glass spheres,
by decreasing the amount of these in each bed and therefore its effect. A conditions of
pressure and temperature reservoir critical rate was assessed before and after treatment
with nanotechnology basis results they showed an increase of 400% in the critical velocity
relative to untreated
Keywords: Nanotechnology, Inhibition, Adsorption, Formation Damage, Fines Migration
Resumen y Abstract IX
Contenido
Pág.
Resumen ........................................................................................................................ VII
Lista de figuras ............................................................................................................... XI
Lista de tablas ............................................................................................................... XII
Introducción .................................................................................................................. 13
Estado del arte........................................................................................................ 18 1.
Aspectos Teóricos ................................................................................................. 23 2.2.1. Fuerzas superficiales ..................................................................................... 23
2.1.1. Potencial Z .......................................................................................... 23 2.1.2. Fuerzas de Van Der Waals ................................................................. 25 2.1.3. Fenómeno de doble capa .................................................................... 26
2.2. Adsorción en lechos fijos ............................................................................... 27 2.3. Teoría de Derjaguin y Landau, Verbey y Overbeek, DLVO. ........................... 31
Síntesis y caracterización de nanoparticulas....................................................... 34 3.3.1. Síntesis de nanopartículas de sílice ............................................................... 34 3.2. Síntesis de la magnetita ................................................................................. 38 3.3. Síntesis de nanopartículas hierro/sílice tipo “Core Shell” ............................... 38 3.4. Caracterización de nanopartículas de sílice ................................................... 40 3.5. Caracterización de nanopartículas de hierro magnéticas ............................... 47 3.6. Caracterización de nanopartículas tipo Core-Shell ........................................ 48
Pruebas Experimentales de adsorción de finos .................................................. 53 4.4.1. Preparación y caracterización de suspensión de finos ................................... 53 4.2. Preparación de los lechos .............................................................................. 54 4.3. Montaje y descripción del procedimiento de operación .................................. 57 4.4. Resultados y discusión .................................................................................. 59
Estabilización de Finos en lechos de arena – inhibidor comercial. .................... 63 5.5.1. Preparación del lecho y procedimientos de operación ................................... 63 5.2. Resultados y discusión .................................................................................. 64 5.3. Aplicación del modelo DVLO ......................................................................... 69 5.4. Caracterización por medio de SEM................................................................ 73
Estimación Experimental de tasa critica de Migración de Finos para muestra 6.del pozo Cupiagua B4 del Campo Cupiagua. .............................................................. 77
X Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
6.1 Datos Preliminares .........................................................................................77 6.2 Protocolo Experimental ..................................................................................78 6.3 Pruebas de desplazamiento antes del tratamiento .........................................80
6.3.1 Tasa crítica (Permeabilidad absoluta): .................................................80 6.3.2 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al aceite): ....................................81 6.3.3 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al agua): .....................................81
6.4 Pruebas de desplazamiento después del tratamiento:....................................82 6.4.1 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al aceite): ....................................83 6.4.2 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al agua): .....................................83
6.5 Contraste antes Vs después de aplicado el tratamiento: ................................84
Conclusiones ..........................................................................................................87 7.
Bibliografía .....................................................................................................................89
XI Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
Lista de figuras
Pág. Figura 1. Potencial Z Vs pH [35]. .................................................................................... 24
Figura 2 Curva de ruptura idealizada [35]. ...................................................................... 28
Figura 3 Imagen (SEM) de nanopartículas de hierro. (a) Nanopartículas de hierro
sintetizadas (b) nanopartículas de hierro comerciales .................................................... 47
Figura 4 Imagen (SEM) nanopartículas CoreShell sintetizadas ...................................... 48
Figura 5 Campana de Gauss. Tamaño promedio de nanopartículas Core-Shell ............ 49
Figura 6 Caracterización de nanopartículas Core-Shell sintetizada por la ruta A ............ 50
Figura 7 Caracterización de nanoparticulas Core-Shell sintetizada por la ruta B ............ 51
Figura 8 Arena 30/40 (a) Después del lavado, (b) Después de daño y (c) Después del
tratamiento con nanopartículas de sílice......................................................................... 57
Figura 9 Esquema del montaje para realizar las pruebas de adsorción [3]. .................... 58
Figura 10 Inhibición de migración de finos esferas. ........................................................ 60
Figura 11 Curvas Inhibición de migración de finos en arena........................................... 61
Figura 12 Inhibición de migración de finos en arena con daño. ...................................... 62
Figura 13 Curvas de avance porcentual de lechos de arena humectables al agua. ........ 65
Figura 14 Curvas de ruptura en el equilibrio de lechos de arena humectables al aceite. 67
Figura 15 Comparación de resultados de volúmenes inyectados de finos vs
concentración en peso de nanopartículas para lechos humectables al agua y al aceite. 68
Figura 16 Energía de interacciones totales del sistema en relación con la distancia de
separación, para arena humectable al agua. .................................................................. 70
Figura 17 Energía de interacciones totales del sistema en relación con la distancia de
separación, para arena humectable al aceite. ................................................................ 71
Figura 18 Imágenes de Microscopía de Barrido SEM, para las muestras de sílice. ........ 74
Figura 19 Imágenes de Microscopía de Barrido SEM con EDS, para las muestras de
sílice. .............................................................................................................................. 76
Figura 20 Distribución de tamaño de garganta de poro –core 571 ................................. 78
Figura 21 Tasa critica permeabilidad absoluta ............................................................... 80
Figura 22 Tasa critica - Ko @ Sor (Antes de tratamiento). .............................................. 81
Figura 23 Tasa critica - Kw @ Sor (Antes de tratamiento). ............................................. 82
Figura 24 Tasa critica - Ko @ Swr (Después de tratamiento). ........................................ 83
Figura 25 Tasa crítica - Ko @ Swr (Después de tratamiento .......................................... 83
Figura 26 Tasa crítica al aceite - Antes y después de tratamiento .................................. 84
Figura 27 Tasa crítica al agua - Antes y después de tratamiento. .................................. 85
XII Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
Lista de tablas
Pág. Tabla 1. Rutas de síntesis nanopartículas de sílice ......................................................... 36
Tabla 2. Procedimientos de acidificación y basificación de nanopartículas de sílice ....... 37
Tabla 3. Rendimiento, tamaño de partícula y área superficial obtenida en nanopartículas
de sílice sintetizadas ....................................................................................................... 41
Tabla 4. Imágenes estructura de las nanopartículas de Si sintetizadas .......................... 42
Tabla 5. Imágenes estructura nanopartículas de Si – Medio ácido y básico .................... 44
Tabla 6. Imágenes estructura nanopartículas de Si – Medio ácido y básico .................... 45
Tabla 7. Propiedades de los fluidos a 25°C ..................................................................... 54
Tabla 8. Características lechos utilizados ....................................................................... 55
Tabla 9. Volumen poroso de cada lecho ......................................................................... 58
Tabla 10. Características de los lechos humectables al agua. ........................................ 66
Tabla 11. Características de los lechos humectables al aceite. ....................................... 69
Tabla 12. Constantes Involucradas en el cálculo de Vt ................................................... 70
Tabla 13 Características Experimentales ........................................................................ 77
Tabla 14 Construcción de curvas base: .......................................................................... 78
Tabla 15 Determinación de velocidades críticas: ............................................................ 79
Tabla 16 Inyección de tratamiento y evaluación: ............................................................. 80
Introducción
La presencia y migración de partículas finas constituye una de las causas de daño de
formación durante la fase de producción de un pozo [1]. Algunas fuentes identificadas de
partículas finas en una formación productora de hidrocarburos se pueden clasificar como
[15]:
a) Partículas son arrastradas por los fluidos que entran a la formación tales como
filtrados de lodo, aguas de inyección, fluidos de estimulación y completamiento.
b) Las partículas están presentes en las paredes de los poros y son movilizados por
fuerzas hidrodinámicas o coloidales y llevados por los fluidos que corren a través
del medio poroso, hasta que son nuevamente depositados o atrapados en algún
poro o canal del medio poroso.
c) Partículas generadas por desintegración de granos de arcilla del medio poroso
que son incompatibles con fluidos extraños que entran en la formación.
d) Partículas que se generan por procesos de formación de parafinas, escamas y
reproducción de bacterias.
El caso a) y d) se conocen como finos inducidos y los casos b) y c) como finos inherentes
[15]. El daño que ocasionan los finos de los casos a), c) y d) generalmente se presentan
en la zona cercana a la pared del pozo, y el ocasionado por los finos del caso b) se
puede presentar en cualquier sitio de la formación pero la mayor probabilidad de
presentarse es en la zona cercana a la pared del pozo donde se tienen las velocidades
más altas [15].
14 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación Barco del
campo Cupiagua
Las formaciones petroleras contienen partículas finas arcillosas que pueden expandirse
al absorber fluidos no contenidos inicialmente en el medio [5]. Además, las formaciones
pueden sufrir un desmembramiento de partículas de la superficie de la roca debido a la
falta de material cementante entre las partículas de la roca y por el efecto de cizalla en
dirección de la línea de flujo [9]. El efecto generado consiste en una reducción de los
canales de flujo por hinchamiento de arcillas o dispersión y liberación de material fino
susceptible de migrar en el fluido. Las partículas finas se mueven a lo largo de los
canales tortuosos de flujo existentes en el medio y en algún punto se retienen y
depositan sobre la matriz porosa, como consecuencia se tienen alteraciones de
porosidad y permeabilidad [9, 11].
En formaciones productoras de hidrocarburos por lo general se encuentran dos tipos de
finos; finos pertenecientes a material arcillosos y finos pertenecientes a material no
arcilloso.
Material arcilloso: Los minerales de arcillas corresponden a hidratos de silicatos
de aluminio con patrones tetrahedrales y octahedrales en sus estructuras [6]. En
un medio poroso se encuentran cuatro tipos de arcillas: Esméctica -
Montmorillonita-, Illita, Caolinita y Clorita, cada una ocasiona problemas
particulares en la formación -hinchamiento, de floculación, movilización.
Material no arcilloso: Finos no arcillosos tales como Cuarzo, Feldespatos y otros,
se remueven por efectos de cambios y desplazamiento de la fase humectante y
por altos gradientes de velocidades en el medio poroso. La remoción y posterior
depositación de estas partículas finas producen una disminución gradual de la
capacidad de flujo de la roca que los contiene y una paulatina reducción de la
capacidad de producción y/o inyección de la formación [6].
El daño por finos involucra múltiples parámetros, y diferentes procesos generados por la
producción del yacimiento, tales como:
Altas tasas de flujo: Para cada formación existe una velocidad crítica que se
considera suficiente para causar el movimiento y desprendimiento de finos [15].
Capítulo 1 15
Distribución del tamaño de poro y la partícula: Las partículas cuyo tamaño sea 1/3
o mayor al tamaño del poro, no pueden entrar al medio poroso. Estas partículas
pueden detenerse en la entrada y formar una torta de filtrado. Las partículas cuyo
tamaño se encuentre entre 1/3 y 1/7 del tamaño de la garganta de poro tienden a
formar puentes, en especial, cuando entran en simultáneo al poro. Partículas con
tamaño inferior a 1/7 de las gargantas pueden transportarse con el fluido o
depositarse en las paredes de los poros debido a la acción de diferentes fuerzas
de superficie [17].
Humectabilidad: Los finos fluyen con el fluido humectante. El fluido humectable,
por lo general, se establece como agua y por tanto la presencia de este fluido
tiende a ocasionar flujo de finos. [15].
Intercambio iónico: Una disminución de la salinidad representa el aumento del pH
debido al intercambio iónico. Un alto pH significa un mayor potencial que amplía
la cantidad de finos presentes en la superficie hasta su des-floculación y posterior
liberación de los mismos. [16].
Flujo de dos fases: La turbulencia puede ocasionar desestabilización de los finos,
en especial, en la región cercana al pozo donde estos efectos se consideran
mayores debido al flujo radial [15].
Tratamientos de acidificación: Una acidificación errónea o un volumen de
tratamiento incorrecto pueden crear la precipitación, la fragmentación de las
arcillas y la des-consolidación debido a la excesiva disolución de la matriz [7, 8,
14].
Como se mencionó anteriormente, varios métodos han sido propuestos y aplicados para
solucionar como el recubrimiento de la roca yacimiento con polímeros especiales,
acidificación, entre otros. Sin embargo, todas estas evidencias no son lo suficientemente
fuertes y no se tiene a la fecha un tratamiento probado que permita la disolución y control
de estos finos. Por ejemplo en el campo de Cupiagua el mayor porcentaje en la
composición de finos es caolinita, la cual presenta poca solubilidad en este tipo de
16 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación Barco del
campo Cupiagua
mejoramientos ácidos. Caso contrario lo que sucede con la illita, la cual presenta buenos
resultados en ácidos débiles, pero esta constituye un bajo porcentaje comparado con la
caolinita.
La nanotecnología ofrece una excelente aplicación para la inhibición y control de finos,
teniendo en cuenta su alta capacidad adsortiva que permite capturar y adherir a las
paredes de la roca los finos que presentan bloqueos y daño a la formación. Una
característica particular de los nanomateriales es que presentan una superficie muy
elevada respecto a su volumen, esto significa que tienen una reactividad elevada para su
aplicación en campos como la adsorción y/o retención [3, 14]. Otra ventaja significativa
de los nanomateriales reside en la capacidad de modificar sus propiedades
fundamentales, tales como ópticas (coloración, absorción ultravioleta, luminiscencia y
emisión), mecánicas (ultra-endurecimiento y anti-oxidación), térmicas (intercambio de
calor, punto de fusión y resistencia térmica), eléctricas (conductividad y aislamiento),
magnéticas y químicas de los materiales cambian al cambiar el tamaño [22]. Los
nanomateriales pueden mostrar propiedades muy diferentes en comparación con las que
representan a macro-escala, por lo cual tienen gran versatilidad para su aplicación en
diversas áreas, como alimentos, energía, telecomunicaciones, salud, construcción, entre
otras [19, 21, 22]. Huang et al. (2010), argumentan que las nanopartículas poseen la
habilidad de prevenir la migración de finos debido a que tienen fuerzas de superficie
significativamente altas, incluyendo fuerzas de van der Waals y fuerzas electrostáticas
que hacen que se adhieran a la superficie del propante durante el bombeo [3, 20, 31].
Con base en lo planteado anteriormente, las características fisicoquímicas de las
nanopartículas de sílice y las razones físicas por las cuales se da el desprendimiento de
los finos, hacen de esta nanopartícula un buen candidato para la inhibición de la
agregación/depositación de los finos en el yacimiento. Por lo cual, a partir de este trabajo
se evaluará el desempeño de dos tratamientos de estabilización de finos basado en
nanotecnología con nanomateriales de sílice para la remediación del daño por migración
de finos identificados en la formación Barco del campo Cupiagua, partiendo de los
siguientes objetivos específicos:
1. Sintetizar y caracterizar nanopartículas de sílice magnéticas tipo cascara-núcleo
(Core-Shell).
Capítulo 1 17
2. Realizar pruebas estáticas de adsorción de finos para diferentes naturalezas
químicas del nanofluido.
3. Determinar la capacidad adsortiva de nanopartículas sintetizadas.
4. Evaluar el efecto de la estabilización de finos en lechos de arena de formación a
condiciones de presión y temperatura de laboratorio.
5. Evaluar el efecto de la estabilización de finos en plugs deformación a condiciones
de presión y temperatura de Yacimiento
Estado del arte 1.
Dentro de los trabajos realizados a nivel mundial en el área de inhibición de migración de
finos, se encuentran las aplicaciones nanotecnológicas [8], en los cuales se han evaluado
diversas nanopartículas de sílice [3], alúmina [8], magnesio [42], hierro [15], entre otras.
La aplicación de la nanotecnología surge como una buena alternativa para el control de
finos debido a la efectividad que muestra para fijar los finos en las paredes de la
formación y evitar su desprendimiento. El mecanismo de fijación de finos a la formación
es alto debido a las fuerzas superficiales de las nanoparticulas, como son las fuerzas de
Van der Waals y las fuerzas electrostáticas. [36].
Huang et al. [23] realizaron una simulación de un tratamiento de fracturamiento hidráulico
bajo condiciones de laboratorio mezclando simultáneamente nanopartículas y propante
en agua con base en un gel fracturante. La relación de partículas / propante se tomó de
1 a 1000 base en peso. Los autores agregaron la mezcla en un tubo de acrílico de una
pulgada de diámetro con una longitud de 12 pulgadas y en la parte inferior una malla de
100 (partículas inferiores a 150 micras). Posteriormente, inyectaron una solución de
cloruro de potasio en agua des ionizada y en salmuera para eliminar el fluido de fractura
de la columna antes de agregar la solución de finos. Los investigadores concluyen que
las fuerzas de superficie atribuidas a las nanopartículas demuestran la habilidad de
atrapar los finos al contacto con la mezcla. En los trabajos de campo se evidencia un
mejoramiento de la permeabilidad con la inyección de las nanopartículas.
Posteriormente, Huang et al. [24] continuaron sus investigaciones relacionadas con
fracturamiento, argumentando que las nanopartículas poseen la habilidad de prevenir la
migración de finos debido a que tienen fuerzas de superficie (Van Der Waals y
electrostáticas) significativamente fuertes, que hacen que se adhieran a la superficie del
propante durante el bombeo, mitigando el daño de formación por migración de finos.
Capítulo 1 19
Otros investigadores como Belcher et al. en 2010 [25], llevaron a cabo un estudio en el
cual los nano-propantes presentaron buenos resultados controlando la migración de finos
en un campo offshore en el golfo de México. Los resultados indican que las
nanopartículas fijan los finos migrantes y mejora la productividad del pozo, previniendo el
daño de formación.
Habibi et al. [26] utilizan lechos empacados para estudiar el uso de diferentes tipos de
nanomateriales y determinan la eficiencia de nanopartículas de sílice (SiO2), alúmina
(Al2O3) y óxido de magnesio (MgO) para controlar la migración de finos en la formación.
Se llevan a cabo dos tipos de pruebas para evaluar el rendimiento de los nanomateriales:
1) En la primera serie de experimentos, se utiliza un medio poroso sintético con
diferentes tipos de nanopartículas para estudiar el efecto de inmersión en la fijación de
finos. Inyectan una suspensión de finos (partículas finas + agua destilada) por la superior
de la columna. El efluente se recoge y se pasa a través de un papel filtro para medir la
eficiencia de adsorción de los nanomateriales. 2) En la segunda parte de las pruebas, se
utiliza un proceso de inundación utilizando un núcleo lleno de granos sintéticos y finos de
formación. El efluente se recolecta y se mide por espectrofotometría para determinar la
eficiencia del proceso. Las pruebas muestran que el óxido de magnesio nanopartícula se
establece como el agente más eficaz entre los tres tipos de nanopartículas utilizadas
para controlar la migración de finos con eficiencias de adsorción de 12.8% para óxido de
magnesio, 4.3% para la alúmina y 9.27% para la sílice. Se realizan pruebas con las
nanopartículas de óxido de magnesio para encontrar la concentración ideal y las fuerzas
hidrodinámicas requeridas para liberar los finos atrapados mecánicamente. Los
resultados muestran que incrementar la concentración del nanomaterial conlleva a una
reducción de la migración de finos.
En este sentido, Ogolo et al. [27] investigaron la capacidad de retención de nueve
nanopartículas para controlar la migración de finos en paquetes de arenas. Examinaron
el efecto de los hidrocarburos en el rendimiento de las nanopartículas y las eficiencias de
las arenas tratadas. Oxido de aluminio (Al2O3), óxido de zinc (ZnO), óxido de hierro
20 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación Barco del
campo Cupiagua
(Fe2O3), óxido de níquel (Ni2O3), óxido de estaño (SnO2), óxido de zirconio (ZrO2),
óxido de silicio hidrofóbico (SiO-(OH)) y silanol tratado con óxido de silicio (SiO2(S)) se
establecieron como las nanopartículas para realizar las pruebas. Los resultados
experimentales muestran que la forma de la dispersión de las nanopartículas en las
formaciones puede controlar la migración de finos, evitando los problemas primarios y
secundarios causados por las formaciones consolidadas, lo que permite optimizar la
producción de los hidrocarburos. Las nanopartículas de óxido de aluminio, óxido de
níquel, óxido de zirconio y silanol tratado con óxido de sílice mostraron mayores
capacidades para prevenir la migración de finos. La salmuera se puede considerar como
el mejor fluido dispersante de nanopartículas. La presencia de hidrocarburos en arenas
tiene una influencia positiva en el rendimiento de las nanopartículas.
Un año después Ogolo [28] se enfoca en identificar el tipo de nanopartículas y
dispersantes que puedan controlar eficientemente la migración de finos en arenas,
evalúa nueve tipos de nanopartículas en lechos de arena humectables al agua y al
aceite. Evalúa como variable el pH en la solución de nanopartículas donde determina el
potencial Z. Esta investigación concluye que el uso de las nanopartículas de óxido de
aluminio, óxido de magnesio y óxido de zinc, tiene la capacidad de atrapamiento y control
de partículas finas, donde el mejor resultado se obtuvo con las nanopartículas de óxido
de aluminio. Argumenta que el pH de los nanofluidos contribuye al mecanismo de
atrapamiento de los finos. En el mismo año, Huang et al. [29], ofrece detalles a escala
laboratorio del uso de nanopartículas para la recuperación mejorada de petróleo
mediante la estabilización de arcillas de formación y finos en la operación de inyección de
agua. Aseguran que las nanopartículas fijan los finos de formación a los poros en los
canales de flujo de agua, y que el menor número de finos se acumulan en la cara al pozo
productor. En este montaje usaron nanopartículas de óxido de magnesio (8nm) y
concluyen que estas nanopartículas controlan de manera eficiente la migración de
partículas finas en medios porosos.
En los últimos dos años se han realizado investigaciones en la misma línea. Assef et al.
[30] y Huang et al. [31], bajo la consideración de que los ambientes químicos de baja
salinidad y pH alto son muy desfavorables para la retención de partículas, analizan el uso
de nanopartículas como método de mejoramiento, argumenta que es necesario introducir
Capítulo 1 21
aditivos en el agua de inyección para aumentar el rendimiento del crudo, evitando la
migración de finos y la disminución en la permeabilidad. Como resultado Assef et al.
obtiene que las nanopartículas de MgO pueden modificar el potencial Z del medio y por lo
tanto prevenir la migración de finos. Estas nanopartículas modifican el punto de carga
cero de 3 a 9 lo cual justifica la retención de hasta el 97% de finos, por lo cual proponen
como una técnica de gran interés para aplicación en campo. Por su parte, Huang et al.
[24] reporta que existe una menor caída de presión para los lechos de arena que
contienen nanopartículas. Habibi et al. [32] analizaron tres tipos de nanopartículas, MgO,
SiO2, Al2O3, como agentes de inhibición en la migración de finos. Los resultados indican
que el uso de 0.97%w/w de nanopartículas de MgO mejora la adsorción de finos en un
20% comparado con el estado de referencia.
Como se observa en esta revisión, son diversas las nanopartículas estudiadas como
método de remediación de finos, siempre con resultados positivos. Hasta el momento no
se observa el análisis de nanopartículas magnéticas, como las se que plantea evaluar en
este trabajo, magnetita Fe3O4 y sílice/hierro tipo “Core-Shell”, con núcleo magnético de
hierro (magnetita), las cuales debido a sus propiedades magnéticas podrían tener un
efecto beneficioso en la mitigación del daño por migración de finos.
Aspectos Teóricos 2.
A continuación se presentan los fundamentos sobre fuerzas superficiales, las cuales
están relacionadas con el desprendimiento de finos y con la interacción de estos con
las nanopartículas. Posteriormente se presenta los principios de adsorción en lechos
fijos y finaliza el capítulo con la teoría DLVO, basada en los trabajos de Derjaguin y
Landau, Verbey y Overbeek [13], la cual explica la estabilidad de las partículas en
solución afectada por las fuerzas de interacción presentes.
2.1. Fuerzas superficiales
A continuación se presentan los conceptos básicos relacionados con el potencial Z,
las fuerzas de Van Der Waals y el fenómeno de doble capa.
2.1.1. Potencial Z
La fuerza de repulsión entre partículas es definida por el potencial zeta, el cual
determina la medida de la fuerza eléctrica existente entre átomos, moléculas,
partículas y células en un líquido. Este potencial es una propiedad física que tiene
cualquier partícula que se encuentra en una suspensión [33]. Las fuerzas superficiales
entre la partícula y el medio son de gran importancia por el tamaño microscópico del
coloide. Si alguno de los estados de la materia esta finamente disperso en otro
entonces se tiene un sistema coloidal. Es posible modificar las características de una
suspensión al comprender las interacciones de las partículas entre sí [33].
Cada coloide posee una carga eléctrica que produce una fuerza electrostática de
repulsión entre partículas. Si la carga es alta, entonces los coloides permanecerán
dispersos y en suspensión [33].
24 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
La carga de las partículas puede ser controlada por la modificación del medio, estos
cambios pueden ser modificación del pH del medio o cargar el medio con especies
iónicas. Otra técnica es el uso de agentes con superficie activa, estos se adsorben en
la superficie del coloide y cambian sus características [33].
Figura 1. Potencial Z Vs pH [35].
Mantilla et al. [13] presentan los resultados de un estudio experimental de flotación de
feldespato usando mezcla de colectores. La propuesta tiene como técnica la medición
del potencial Z para la evaluación de la hidrofobicidad de los principales minerales del
sistema particulado (Cuarzo-Feldespato). La prueba se realizó haciendo una
fragmentación de las dos fracciones de minerales por separado hasta tamaño 35 µm
para las pruebas de determinación del potencial Z, y hasta 150 µm para las pruebas
de flotabilidad, Como colector catiónico se utilizó el R-1,3 diaminopropano (Diamina)
elaborado por Akzo Nobel Chemicals Brasil, donde R es un radical proveniente de
ácidos grasos. El colector aniónico seleccionado fue Sulfonato de Petróleo de alta
pureza elaborado por Cytec Chile. Adicionalmente se utilizaron NaOH, HCl y H2SO
grado reactivo, como modificadores de pH. Para verificar los resultados del potencial
zeta se desarrolló un conjunto de pruebas experimentales de flotabilidad de los dos
minerales en un Tubo Hallimond. Se encuentra que la mezcla de colectores mejora
notablemente la hidrofobicidad del feldespato, mientras que se disminuye la
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 25
flotabilidad del cuarzo, lo cual está asociado a fuertes cambios del potencial Z. Se
comprobó que mediante la variación del potencial zeta de las dispersiones minerales,
a distintas concentraciones de los surfactantes, se puede hacer una evaluación de la
hidrofobicidad y de la humectabilidad de las partículas minerales presentes en los
sistemas dispersos. Los resultados en la flotación en Tubo Hallimond, concordaron
con los de potencial zeta y se obtuvieron bajo las siguientes condiciones de PH 2.0
usando un ácido fuerte Como el sulfúrico.
En búsqueda de la comprensión del potencial z a través de suspensiones coloidales
[33], los autores plantearon un modelo de la doble capa para visualizar el ambiente
iónico en la vecindad de un coloide cargado y fue explicado a partir de las fuerzas
eléctricas de repulsión. El modelo está basado en la teoría DLVO (nombrado después
Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek) para la explicación de la estabilidad de los
coloides en suspensión. Esta estabilidad se ve en el equilibrio entre dos fuerzas
opuestas, la repulsión electrostática y atracción de van der Waals. Una consideración
muy importante durante esta investigación es el efecto del tipo y concentración de los
electrolitos, debido a que los electrolitos inorgánicos simples pueden tener un impacto
significativo en el potencial zeta, el efecto depende de la relación de valencia de los
iones y en su concentración.
En este ejemplo, el potencial zeta de una suspensión diluida de sílice coloidal se
modificó mediante la adición de cloruro de diferente electrolitos de aluminio, y sus
cationes trivalentes llevaron fácilmente el potencial zeta hacia cero. Esto contrasta
con el efecto de sulfato de potasio, en primer lugar el potencial zeta se hace cada vez
más negativo hasta que alcanza una meseta a aprox. 50 mg/L, luego el potencial zeta
comienza a disminuir alrededor de 500 mg/L debido a que los iones están
comprimiendo la capa doble.
2.1.2. Fuerzas de Van Der Waals
Las fuerzas de atracción de Van Der Waals se componen de tres efectos, que dan
una fuerza de atracción entre átomos o moléculas, inversamente proporcional a la
sexta potencia de sus distancias. El primer efecto, de orientación, debido a Keesom,
26 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
es producido por la acción mutua de los momentos dipolares de las moléculas. El
segundo es el de distorsión, propuesto por Debye, producido por la interacción de su
momento dipolar inducido de una molécula con el permanente de otra. Cuando se
consideran partículas de tamaño coloidal, estos dos efectos son de poca importancia,
y domina el efecto de dispersión de London, producido por los momentos dipolares
inducidos generados por la sincronización del movimiento electrónico entre dos
moléculas, lo que provoca una atracción entre ellas y la cual no depende de la
interacción con otros átomos [34].
2.1.3. Fenómeno de doble capa
La mayoría de las sustancias adquieren una carga eléctrica superficial cuando se
ponen en contacto con un medio polar. Esta carga superficial influye en la distribución
de los iones vecinos en el medio polar, de forma que los iones de carga opuesta
(iones contrarios) son atraídos hacia la superficie y los iones de igual carga son
repelidos por ella. Esto, unido a la tendencia a mezclarse debido a los movimientos de
carácter térmico, conduce a la formación de una doble capa eléctrica constituida por
la superficie cargada y un exceso neutralizante de iones contrarios sobre iones del
mismo signo distribuidos de una manera difusa en el medio polar [34].
La teoría de la doble capa trata de esta distribución de los iones y de la magnitud de
los potenciales eléctricos que existen en la proximidad de la superficie cargada.
Generalmente, la doble capa se considera constituida por dos regiones, una interior
que puede incluir iones adsorbidos y una región difusa en la que los iones se
distribuyen según la influencia de las capas eléctricas y movimientos térmicos al azar.
La primera discusión de la doble capa fue debida a [4], su modelo depende de la
concentración de la disolución, lo cual no responde a los hechos experimentales.
Gouy y Chapman [4], propusieron un modelo de doble capa difusa que se basa en
las siguientes suposiciones: 1) una superficie plana de extensión infinita cargada
uniformemente, 2) los iones de la parte difusa son cargas puntuales que siguen una
distribución de Boltzmann, 3) el disolvente influye sólo por su constante dieléctrica,
que se toma constante en toda la parte difusa, 4) se supone un único electrolito
simétrico con un número de cargas Z. Posteriormente, Stern modificó este modelo,
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 27
mediante la adición de la capa rígida, en el cual las fuerzas de atracción entre iones
en disolución y una superficie cargada son muy grandes y disminuyen fuertemente
con la distancia, formándose una monocapa de iones fuertemente adheridos a la
superficie y el resto forma una capa difusa. Como los iones tienen cierto volumen, la
porción difusa no puede acercarse a la superficie más que a una distancia z [34].
2.2. Adsorción en lechos fijos
A partir de la teoría planteada en operaciones de transferencia de masa [35]. Para
predecir la longitud del ciclo de adsorción entre reactivaciones, se considera
necesario conocer el porcentaje de aproximación a la saturación en el punto de
ruptura o quiebre. Lo que requiere que se prediga el tiempo del punto de ruptura y la
forma de la curva. En dicho caso se aplica el método simplificado de Michaels.
En la Figura 2 se presenta la curva de ruptura idealizada. La curva se obtiene a partir
de un disolvente a través de un lecho adsorbente a un flujo de (masa/tiempo); el
disolvente con una concertación inicial de soluto (masa soluto/masa disolvente). El
efluente libre por entero de soluto en cualquier momento es (masa/área). Un valor
bajo de se establece como la concentración en el punto de ruptura y se considera
que el adsorbente se agota cuando la concertación del efluente aumenta hasta algún
valor, escogido arbitrariamente, de y cercano a . La cantidad de efluente en
el punto de ruptura y la forma de la curva entre y se clasifican como
parámetros importantes del caso. El efluente total acumulado durante la aparición de
la curva de ruptura es . La zona de adsorción, de altura constante , es
la parte del lecho en la que la concentración cambia de a en cualquier
momento.
sG
0Y
w
BY
EY 0Y Ew
Bw Ew
0 E Bw w w aZ
BY EY
28 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
Figura 2 Curva de ruptura idealizada [35].
Sea el tiempo requerido por la zona de adsorción para mover su propia altura en
forma descendente por la columna, después de que la zona se ha establecido.
Entonces,
(1)
Si se establece como el tiempo requerido por la zona de adsorción para
establecerse y salir del lecho. Se tiene,
0
E
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 29
(2)
Además, si la altura del lecho adsorbente se denomina como y si es el tiempo
requerido para la formación de la zona de adsorción,
(3)
La caída de soluto separado del gas en la zona de adsorción desde el punto de
ruptura hasta el agotamiento se denomina como (masa soluto/ área de la sección
transversal del lecho). Dicha cantidad se representada por el área sombreada de la
Figura 5.
∫ ( )
(4)
Sin embargo, si todo el adsorbente en la zona estuviese saturado con soluto,
contendría masa (soluto/área). Por lo tanto, cuando la zona todavía se encuentra
dentro de la columna, el poder fraccionario del adsorbente para adsorber todavía se
considera soluto, en el punto de ruptura se establece como:
Z F
U
0 0Y w
30 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
∫ ( )
(5)
Si , de forma que el adsorbente en la zona se encuentra saturado, el tiempo de
formación de la zona en la parte superior del lecho será el mismo que el tiempo
requerido por la zona para viajar una distancia igual a su propia altura . Por otra
parte, si , de forma que el sólido en la zona no contenga adsorbato, el tiempo de
formación de la zona será muy corto, cercano a cero. Estas condiciones límite se
describen por:
( ) 01F f
(6)
Donde,
( )
( )
(7)
0f
E
0
1f
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 31
La columna de desorción, la altura y el área de la sección transversal unitaria,
contiene una masa de adsorbente, en donde es la densidad empacada
aparente del sólido en el lecho. Sí toda la masa de sólido estuviera en equilibrio con el
fluido entrante y, por tanto saturado en una concentración de adsorbato (masa
adsorbato/masa sólido), la masa del adsorbato seria . En el punto de quiebre, la
zona de adsorción de altura todavía se encuentra en la columna, en el fondo, pero
el resto de la columna está saturada. Por lo tanto, en el punto de quiebre, el
soluto adsorbido se determina como . La aproximación
fraccionada a la saturación de la columna en el punto de ruptura se describe como:
[( ) ] [ ( )]
(8)
2.3. Teoría de Derjaguin y Landau, Verbey y Overbeek, DLVO.
Basada en los trabajos de Derjaguin y Landau, Verbey y Overbeek [13], la cual
explica que cuando dos partículas se acercan, la estabilidad de las partículas en
solución es afectada por todas las fuerzas de interacción presentes. La energía total
de estas interacciones, están constituidas por fuerzas de atracción y de repulsión,
principalmente fuerzas como la repulsión de la doble capa eléctrica, la atracción
debida a fuerzas de London y Van der Waals, la repulsión de Born, las interacciones
ácido base, las fuerzas hidrodinámicas, entre otras [13].
Para el experimento realizado, se asume que la distancia de interacción entre la
superficie y la partícula fina es superior a 1 nm, por tanto se puede desestimar la
repulsión de Born [34]. Debido a que el solvente de inmersión donde viajan las
ZsZ s
TX
s TZ X
aZ
aZ Z
0( ) (1 )s T a s TZ Z X Z f X
32 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
partículas finas es agua desionizada, las interacciones ácido base son muy pequeñas
en comparación con las fuerzas relacionadas con la doble capa eléctrica y con las
fuerzas de London Van der Waals, y debido a que el flujo de agua es por gravedad,
las fuerzas hidrodinámicas son ignoradas, por tanto la energía de interacción total del
sistema queda reducida únicamente a las interacciones relacionadas con la doble
capa eléctrica y las fuerzas de interacción de London Van der Waals [13].
La energía relacionada con la doble capa eléctrica es obtenida al resolver la ecuación
de Poisson Boltzmann para una determinada condición geométrica, se utilizará la
geometría esférica para representar la superficie del grano de arena y el grano de las
partículas finas, por tanto la ecuación 9 apropiada es la siguiente. [36].
(
) [ (
(- )
- (- )) (
) ( - (- ))]
(
) [ (
( )
( )) (
) ( ( ))]
La ecuación 9, está compuesta por constantes energéticas encontradas en
literatura, como la constate dieléctrica del agua, la longitud de Debye, la constante
Hamaker, y el Potencial Zeta cuyo valor depende de la carga del sólido, la capa de
iones adsorbidos en su superficie y las características del líquido, por tanto es
necesario conocer estos valores e potencial zeta para estimar la energía de la doble
capa repulsiva a cualquier distancia de separación entre la superficie y la partícula
fina.
La energía de interacción de las fuerzas de London Van der Waals se presenta en la
Ecuación 10, considerando nuevamente una geometría esférica.
(
) [(
( )
( )) (
)]
(10)
El símbolo negativo en este término demuestra que la energía es atractiva, y se ve
afectada únicamente por la constante de Hamaker y su método de cálculo es
presentado en los trabajos de Fogler and Khilar [36].
(9)
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 33
Por tanto la energía total del sistema es obtenida mediante la suma algebraica de
estos dos términos.
(11)
Para prevenir cualquier error inducido en estas dimensiones, se sugiere trabajar en
unidades adimensionales, simplemente la energía total obtenida en la ecuación 11 se
divide por la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura.
(12)
Síntesis y caracterización de 3.nanoparticulas
En este trabajo se sintetizan tres tipos de nanopartículas, de sílice (SiO2) de hierro
(magnetita, Fe3O4) y de sílice/hierro tipo cascara – núcleo (Core-Shell), núcleo de
magnetita, Fe3O4. A continuación, se presentan las rutas de síntesis de los tres tipos
de nanopartículas sintetizadas y la caracterización de cada una de ellas. Las
nanopartículas de sílice y hierro fueron comparadas con nanopartículas comerciales
(Sigma-Aldrich, USA).
3.1. Síntesis de nanopartículas de sílice
El procedimiento seguido en este trabajo para la síntesis de las nanopartículas de
sílice estuvo basado en el planteado por Stöber & Fink [45], el cual propone la síntesis
de partículas de sílice por medio de la hidrólisis de un precursor, el cual es un
alcóxido de silicio tal como el tetraetilortosilicato (TEOS) o el tetrametilortosilicato
(TMOS), en una solución diluida de etanol catalizada por un ácido o una base [37]. El
método planteado por Stöber & Fink [45] se conoce comúnmente como método Sol-
Gel. Este método incluye varias técnicas, las cuales permiten una composición
química pura y homogénea a nivel molecular [37].
De forma general el proceso consiste en la formación de una dispersión estable (Sol)
de partículas con diámetros menores a 0,1 µm suspendidos en un líquido. Existen
cambios de concentración (evaporación de una porción de líquido), añejamiento o
adición de electrolitos no reactivos, polimerización, enlaces tridimensionales y ocurren
expansiones de sol hasta la formación de gel y la evaporación de los líquidos
remanentes del gel y finalmente un incremento de la temperatura, deshidratación del
gel y transformación del compuesto [37].
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 35
Los pasos seguidos en este trabajo para la síntesis de nanopartículas de sílice, bajo
el método de Sol-Gel, son los siguientes [39]:
Se mezcla en un beaker las cantidades especificadas de etanol y TEOS,
posteriormente se agrega el hidróxido de amonio. El recipiente se tapa y se agita la
mezcla a unas revoluciones por minuto y un tiempo determinado. La mezcla se
centrifuga a unas revoluciones por minuto y un tiempo determinado. Las
nanopartículas depositadas son lavadas tres veces y se ponen a secar [37].
Se realiza la síntesis de tres tipos de nanopartículas de sílice, debido a que las rutas
de síntesis no precisan ciertas variables como tiempos, cantidad de reactivos, entre
otros. Por lo tanto, se deben ajustar estos para obtener las características deseadas
en las nanopartículas a obtenerse. En la Tabla 1 se presentan las características del
proceso para cada tipo de nanopartícula sintetizada, donde la diferencia radica en la
variación de la cantidad de los reactivos, el tiempo de agitación, tiempo de
centrifugación y el agente de lavado.
36 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
Tabla 1. Rutas de síntesis nanopartículas de sílice
Por otro lado, las nanopartículas S (3) y fueron tratadas en un medio ácido y básico,
además con fines comparativos se realizaron los mismos procedimientos con
nanopartículas de Si comerciales. Esto debido a que las nanopartículas inorgánicas
tienden a tener poca capacidad de dispersión y se aglomeran fácilmente en solventes
orgánicos y en el crudo. Una forma de solucionar este inconveniente es modificar su
superficie para que se logre una dispersión adecuada en los medios mencionados
[40, 41]. En la Tabla 2 se presentan los procedimientos seguidos para acidificar y
basificar las nanopartículas de sílice.
Reactivos/Condiciones
S (1) S (2) S (3)
Agente de lavado Agua destilada Agua destiladaAgua desionizada y
etanol
Tiempo de secado (h) -
Temperatura (°C)4 - 120 4 - 120 4-120
TEOS (Tetraethyl
Orthosilicate)
(concentración 99%)
44 22 4.5
Condiciones de
centrifugación (h – rpm)0.25 - 4500 0.25 - 4500 0.5 - 4500
Nanopartícula sintetizada
Etanol (con concentración
de 99,9%) (ml)5.06 5.06 156.25
NH4OH (Hidróxido de
amonio – Amoniaco)
(concentración de 28%) (ml)
60.3 60.3 11.25
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 37
Tabla 2. Procedimientos de acidificación y basificación de nanopartículas de sílice
Para las partículas de sílice se sometieron a un procedimiento de neutralización, con
finos comparativos. Para esto se utilizó 1 gr de nanopartículas de Si, 200 mL de agua
desionizada, 10 mL de NH4OH (Hidróxido de amonio – Amoniaco) (con concentración
de 5% en volumen) y 10 mL de HCl (con concentración de 5% en volumen). El
procedimiento seguido fue el siguiente:
Se mezcla en un beaker las cantidades mencionadas de nanopartículas y
agua desionizada
La mezcla se sónica por 15 minutos
Se mide el pH de la mezcla con el pH-metro. Se lleva el pH de la mezcla a 7
adicionando HCl si el pH inicial está por encima de dicho valor o adicionando
hidróxido de amonio si está por debajo.
Acidificación Basificación Reactivos: Reactivos:
1 gr de nanopartículas de sílica 1 gr de nanopartículas de sílica
200 mL de solución de HCl al 0.3%
en volumen
200 mL de solución de hidróxido de amonio al 0.3% en
volumen
Procedimiento: Procedimiento: Se mezcla en un beaker las
cantidades especificadas de
nanopartículas y de HCl
Se mezcla en un beaker las cantidades especificadas de
nanopartículas y de Hidróxido de Amonio al 0.3%
Se tapa el recipiente y se sónica
durante 2 horas a temperatura
ambiente
Se tapa el recipiente y se sónica durante 2 horas a temperatura
ambiente
La mezcla sonicada se agita a 100
rpm durante 12 horas La mezcla sonicada se agita a 100 rpm durante 12 horas
La mezcla se centrifuga a 4500 rpm
durante 15 minutos. La mezcla se centrifuga a 4500 rpm durante 15 minutos.
Las nanopartículas depositadas se
ponen a secar a 120ºC durante 4
horas.
Las nanopartículas depositadas se ponen a secar a 120ºC
durante 4 horas
38 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
3.2. Síntesis de la magnetita
Según Lloret et al. [42] la síntesis de las nanopartículas de óxido de hierro magnético
se puede realizar a través del método de co-precipitación de los cloruros férrico y
ferroso en medio amoniacal. Para esto se lleva a cabo el siguiente procedimiento:
Se deben adicionar 12 g de FeCl3 en 50 ml de agua destilada y 6 g de FeCl2
disueltos en 50 ml de HCl 0.2%. Con agitación constante durante 10 minutos, se
deben agregar 25 ml de NH3 25%. Posteriormente, se debe recoger el precipitado de
Fe3O4 con un imán y se lava con agua destilada hasta eliminar el exceso de ion férrico
el cual se caracteriza por su color naranja. Posteriormente el precipitado se seca a
60°C.
3.3. Síntesis de nanopartículas hierro/sílice tipo “Core Shell”
La síntesis de las nanopartículas con estructura núcleo-cáscara de óxido de hierro
magnético-sílice se puede realizar siguiendo el método sol-gel o por el método de co-
precipitación seguido por la síntesis de la cáscara de sílice. A continuación se
explican cada uno de los métodos.
Síntesis por el método sol-gel: Según Lu et al. [39], las nanopartículas de
óxido de hierro magnético revestidas con cáscara de sílice, puede ser
producida a través de la hidrólisis de un precursor sol-gel, que en este caso es
tetraetil ortosilicato (TEOS). Según los autores existe una fuerte afinidad entre
el óxido de hierro y la sílice, razón por la cual no es necesario promover a
través de un procedimiento adicional la deposición y adhesión de la sílice
sobre el óxido de hierro. El procedimiento que señalan es el siguiente:
Se diluyen 3 mL de un ferrofluido comercial base agua con 4 mL de agua desionizada
y 20 mL de propanol o en su defecto se usan las nanopartículas de hierro magnético
previamente sintetizadas.
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 39
Bajo continua agitación mecánica se agrega 0.5 mL de solución de amoníaco (30%
wt) y una cantidad deseada de TEOS según el tamaño de partícula que se desee
obtener. Para que se produzca la reacción, se deja la solución a temperatura
ambiente agitando durante 3 horas. Las nanopartículas núcleo-cáscara pueden ser
separadas a través de centrifugación a 4000 rpm y luego redispersadas en agua.
Debido a la presencia de cargas negativas en la superficie de las cáscaras de sílice,
las nanopartículas magnéticas con estructura núcleo-cáscara obtenidas pueden
formar dispersiones muy estables en agua sin necesidad de agregar otros
surfactantes.
Síntesis por el método de co-precipitación + síntesis de la cáscara de
sílice: Según Lloret et al. [42] la síntesis de las nanopartículas de óxido de
hierro magnético se puede realizar a través del método de co-precipitación de
los cloruros férrico y ferroso en medio amoniacal. Para esto se lleva a cabo el
siguiente procedimiento:
Se deben adicionar 12 g de FeCl3 en 50 ml de agua destilada y 6 g de FeCl2 disueltos
en 50 ml de HCl 0.2%.
Con agitación constante durante 10 minutos, se deben agregar 25 ml de NH3 25%.
Posteriormente, se debe recoger el precipitado de Fe3O4 con un imán y se lava con
agua destilada hasta eliminar el exceso de ion férrico el cual se caracteriza por su
color naranja. Posteriormente el precipitado se seca a 60°C. Luego, después del
secado de las nanopartículas de hierro magnético se adicionan en el orden TEOS,
etanol y amoníaco al 30%. Este proceso se debe realizar bajo agitación continua
durante 40 minutos.
El secado se debe realizar a 120°C durante 24 horas. Finalmente se obtienen las
nanopartículas con estructura núcleo cáscara de óxido de hierro magnético-sílice.
40 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
El método utilizado en este trabajo es el método por co-precitación, debido a que no
se tiene disponibilidad del ferrofluido para la síntesis por el método sol-gel. Además, el
método por co-precipitación es un método simple que presenta buenos resultados y
pude ser escalable a nivel industrial. Se plantean dos rutas diferentes, con el fin de
ajustar parámetro al método de síntesis anterior.
a) Tomar 30 mg de magnetita sintetizada previamente y agregar en el siguiente
orden: 12.5 mL de TEOS, 12.5 mL de etanol, y NH4OH al 30%. Agitar
vigorosamente la mezcla durante 2 horas. Sonicar la misma durante 2 horas
y secarla a 80°C durante 24 horas.
b) Tomar 30 mg de magnetita sintetizada previamente y agregar en el siguiente
orden: 12.5 mL de TEOS, 12.5 mL de etanol, y NH4OH al 30%. Agitar
vigorosamente la mezcla durante 5 horas. Centrifugar durante 30 min a 4500
RPM y secar a 80°C durante 24 horas.
La ruta que permite obtener nanopartículas CoreShell magnéticas es la ruta A.
3.4. Caracterización de nanopartículas de sílice
Las partículas sintetizadas fueron sometidas a análisis SEM (por sus siglas en inglés,
Scanning Electron Microscopy), EDX y área superficial, y tamaño de agregado. En la
Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos de la síntesis de nanopartículas de
sílice.
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 41
Tabla 3. Rendimiento, tamaño de partícula y área superficial obtenida en nanopartículas de sílice sintetizadas
A partir de la Tabla 3, al comparar las 3 rutas de síntesis, las nanopartículas S (3)
presentan un área superficial mayor, para esta ruta de síntesis la cantidad de TEOS
utilizada fue de solo un 10% comparado con la ruta 1 o 20% comparado con la ruta 2.
El tiempo de reacción en este caso fue de 8 veces más en comparación con las rutas
1 y 2 (24 horas de agitación). Al utilizar una cantidad menor de TEOS se obtiene una
cantidad menor de nanopartículas en la ruta 3.
En la Tabla 4 se presentan las imágenes obtenidas por medio de Microscopía
Electrónica de Barrido, SEM (por sus siglas en inglés, Scanning Electron Microscopy),
los análisis fueron realizados en el Laboratorio de Microscopía Electrónica de la
Facultad de Minas. Las imágenes presentadas en la Tabla 4 son tomadas a 20000
aumentos.
A partir de las tres imágenes presentadas en la Tabla 4, se puede observar que para
las nanopartículas de sílice sintetizadas a partir de la ruta 3, se obtienen
nanopartículas con tamaños más pequeños (una proporción menor a 50nm) a pesar
de que se presenta una distribución de tamaños variada, en la ruta 1 la distribución de
tamaño es más homogénea y el tamaño aprox. es de 50-60 nm (Tabla 3).
MuestraÁrea superficial
(m2/g)
Tamaño
de
agregado
(nm)
Cantidad de
nanopartículas
recuperadas
(g)
S (1) 8.8 138.3 2.6
S (2) 7 144.2 4.1
S (3) 28.7 150.33 0.31
S (3) Básica 9.8 158.7 -
S (3) Ácida 18.5 1197.85 -
Sílice Comercial 302.6 595.27 -
Sílice Comercial Básica 138.1 175.53 -
Sílice Comercial Ácida 237.9 175.96 -
Sílice Comercial Neutra 171.8 186.47 -
42 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
Tabla 4. Imágenes estructura de las nanopartículas de Si sintetizadas
Nanopartícula
Imagen (Tomada a 20000X)
S (1)
S (2)
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 43
S (3)
Con el fin de observar la variación estructural que se genera al someter las
nanopartículas a tratamientos básicos y ácidos, se presentan las imágenes obtenidas
de las nanopartículas de S (3) y se compara con las nanopartículas comerciales de Si
(Ver Tabla 5). Las imágenes fueron tomadas a 60000 aumentos).
Inicialmente se observa la diferencia entre las nanopartículas sintetizadas y las
nanopartículas comerciales, donde las nanopartículas comerciales presentan una
distribución homogénea de nanopartículas de menor tamaño. Con respecto a la
influencia del tratamiento ácido y básico, las nanopartículas sometidas a medio básico
presentan una menor aglomeración de nanopartículas; Lo cual se puede contrastar
con las imágenes obtenidas a un menor aumento (6 veces menor, ver Tabla 6).
44 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
Tabla 5. Imágenes estructura nanopartículas de Si – Medio ácido y básico
Nanopartícula
Imagen (Tomada a 60000X)
Si (3) Ácida
Si (3) Básica
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 45
Si Comercial
Tabla 6. Imágenes estructura nanopartículas de Si – Medio ácido y básico
Nanopartícula
I
Imagen (Tomada a 10000X)
Si (3)
46 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
Si (3) Ácida
Si (3) Básica
Debido a las diferencias en distribución de tamaños, se utiliza nanopartículas
comerciales para la realización de las pruebas experimentales de inhibición de finos.
Las nanopartículas comerciales tienen un tamaño de 7 nm y una densidad de 0.037
g/cm3.
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 47
3.5. Caracterización de nanopartículas de hierro magnéticas
Bajo la primera etapa del procedimiento de co-precipitación, explicado en la sección
3.2 se obtienen nanopartículas de hierro magnéticas. Estas nanopartículas
sintetizadas fueron funcionalizadas para obtener las nanopartículas Core-Shell con
cáscara de sílice. El tamaño aproximado de las nanopartículas de hierro sintetizadas
es de 40 nm. En la Figura 3 se presenta una imagen obtenido por medio de
espectroscopia electrónica de barrido-SEM y se compara con las nanopartículas de
magnetita comerciales. Las nanopartículas de hierro comerciales, magnetita Fe3O4,
fueron utilizadas para la impregnación de los lechos y tienen un tamaño de 50-100
nm.
Figura 3 Imagen (SEM) de nanopartículas de hierro. (a) Nanopartículas de hierro sintetizadas (b) nanopartículas de hierro comerciales
48 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
3.6. Caracterización de nanopartículas tipo Core-Shell
Debido a su carácter magnético estas nanopartículas tienden a aglomerarse. Otra
característica es que son hidrofóbicas, por lo cual al momento de realizar la
impregnación a los lechos fue necesario utilizar una gota de polisorbato 80-tween 80,
el cual es un tensoactivo no iónico, con el fin de dispersarlas en solución en agua
desionizada. En la Figura 4 se presenta una imagen de las nanopartículas por medio
de Microscopía Electrónica de Barrido-SEM.
Figura 4 Imagen (SEM) nanopartículas CoreShell sintetizadas
El tamaño aproximado de las nanopartículas tipo Core Shell sintetizadas es de
aproximadamente 52.6 nm. La distribución se presenta en la Figura 5.
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 49
Figura 5 Campana de Gauss. Tamaño promedio de nanopartículas Core-Shell
Al analizarse las nanopartículas CoreShell por medio de EDX, se observa solo sílice
superficialmente, lo que quiere decir que el núcleo de hierro está dentro, rodeado por
esta capa de sílice.
50 Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la
formación Barco del campo Cupiagua
Figura 6 Caracterización de nanopartículas Core-Shell sintetizada por la ruta A
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
1/[
Q(P
o/P
-1)]
Presión Relativa (P/Po)
Core Shell A (Plot de Area Superficial)
Core Shell A (Plot de Area Superficial) Lineal (Core Shell A (Plot de Area Superficial))
3 Síntesis y caracterización de nanoparticulas capítulo 3 51
Figura 7 Caracterización de nanoparticulas Core-Shell sintetizada por la ruta B
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
1/[
Q(P
o/P
-1)]
Presión Relativa (P/Po)
Core Shell B (Plot de Area Superficial)
Core Shell B (Plot de Area Superficial)
Lineal (Core Shell B (Plot de Area Superficial))
Pruebas Experimentales de adsorción de 4.finos
Los lechos adsorbentes usados fueron preparados con arena Ottawa y esferas de vidrio.
Se usaron dos tipos de lechos de arena: uno sometido a un proceso de lavado (lecho
humectable al agua), otro sometido a un proceso de daño usando un crudo colombiano
extrapesado de 6.4°API (lecho humectable al aceite). Cada uno de los tres tipos de
lechos, fueron tratados con nanopartículas de sílice, hierro y sílice/hierro. La suspensión
de finos se preparó con base en una composición promedio reportada por Ecopetrol [18],
agregando partículas de caolinita (50%w) cuarzo (42%w) e ilita (7%w) en agua
desionizada.
En esta sección se presenta la preparación de la suspensión de finos, la preparación de
los lechos, los procedimientos de análisis y resultados obtenidos.
4.1. Preparación y caracterización de suspensión de finos
La composición de finos se trabaja en una relación de 2 gramos de finos por cada 1000
ml de suspensión, se preparó con base en una composición promedio reportada por
Ecopetrol [18], agregando partículas de caolinita (50%w) cuarzo (42%w) e ilita (7%w). La
suspensión de finos se prepara en agua desionizada, se sónica durante 2 horas y
posteriormente es mantenida bajo agitación, con el fin de mantener una distribución
homogénea de finos en solución durante cada prueba.
54
Capítulo 6
En la
Tabla 7 se presentan las propiedades de la suspensión de finos a 25°C.
Tabla 7. Propiedades de los fluidos a 25°C
4.2. Preparación de los lechos
A continuación se presentan los procedimientos para la preparación de los lechos
utilizados. Para la preparación de los lechos adsorbentes se hace uso de esferas de
vidrio de un radio promedio de 0.5 cm y arena Ottawa tamizada por las mallas 30/40 y
10/20, cada lecho tiene un 50% de cada una, tanto la arena humectable al agua y la
arena humectable, el total de arena en el lecho fue de 70 gramos. Con respecto a las
esferas se utilizaron la cantidad necesaria para obtener la misma altura de lecho que la
arena. En la Tabla 8 se presentan las características de los lechos utilizados. En total
fueron evaluados 12 lechos diferentes.
MuestraDensidad
(g/cm3)
Viscosidad
(cp)pH
Suspensión
de finos0,9956 1.37 9.8
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
55
Tabla 8. Características lechos utilizados
El procedimiento a seguir para la adecuación de los lechos de esferas de vidrio, es el
siguiente:
Se lavar las esferas con jabón y agua destilada para luego sonicarlas en un
baño de etanol a 60°C durante 2 horas.
Se separan las esferas en cuatro grupos, las que servirán de blanco y las que
serán impregnadas con las nanopartículas.
Se preparan los 3 nanofluidos al 1%wt, con nanopartículas sílice, hierro y
coreshell.
Lecho Características
Esferas de vidrio 1 Utilizado como blanco
Esferas de vidrio 2, 3 y 4Impregnadas con nanopartículas de sílice,
Hierro (Fe3O4) y Coreshell
Arena 1 Utilizado como blanco
Arena 2, 3 y 4 Impregnadas con nanopartículas de sílice,
Hierro (Fe3O4) y Coreshell
Arena 5
Arena dañada por asfaltenos (A partir de un
crudo extrapesado de 8°API, Densidad:
1,0143 g/cm3 y Viscosidad de 4,32x105cp a
25°C). Contenido de asfaltenos del 16%.
Arena 6, 7 y 8Impregnadas con nanopartículas de sílice,
Hierro (Fe3O4) y Coreshell
56
Capítulo 6
Los nanofluidos se sonican a 40°C durante 4 horas.
Se sumergen las esferas de vidrio completamente en cada solución y se secan a
120°C hasta que se evapore cualquier remanente de humedad.
Para la preparación de los lechos de arena sin daño el procedimiento es el siguiente:
Se lava la arena con agua destilada y se filtra hasta que el agua no presente
color alguno y posteriormente se seca a 120°C. Se separa en 4 fracciones, tres
de ellas a ser tratadas con nanofluidos de sílice, hierro y coreshell.
Una vez preparados los nanofluidos, como se mencionó anteriormente, las
fracciones de arena se sumerge en cada uno de los fluidos, de manera que la
cubra completamente y se agita durante 6 horas a 60°C y 500 rpm.
Posteriormente la arena se seca a 120°C para eliminar el agua.
Para simular el medio poroso dañado la arena se daña con un crudo extrapesado de
6.4°API y contenido de asfaltenos de 16.5% wt.
Se prepara una solución n-heptano/crudo en relación 40ml/1g con el fin de
favorecer la precipitación de asfaltenos.
La arena se sumerge en la solución a 40°C durante 24 horas, con agitación
constante a 500 rpm.
La arena se seca a 120°C para luego ser lavada con n-heptano y retirar residuos
de crudo en la arena y luego con agua destilada hasta que el agua no presenta
color alguno.
La muestra se seca a 120°C para retirar cualquier remanente de agua y
solvente.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
57
A partir de la arena dañada se separa en cuatro fracciones, tres de ellas para ser
tratadas con el nanofluido, el procedimiento es el siguiente:
Una vez preparados los nanofluidos, como se mencionó anteriormente, las
fracciones de arena se sumerge en los nanofluidos, de manera que la cubra
completamente y se agita durante 6 horas a 60°C y 500 rpm.
Posteriormente la arena se seca a 120°C para eliminar el agua. A manera de
ejemplo, en la Figura 8 se presenta una fotografía de la arena 30/40 después de
cada preparación.
Figura 8 Arena 30/40 (a) Después del lavado, (b) Después de daño y (c) Después del tratamiento con nanopartículas de sílice.
4.3. Montaje y descripción del procedimiento de operación
En la Figura 9 se presenta un esquema del montaje experimental para realizar la prueba.
En la parte superior se sostiene la suspensión preparada (2) y por fuerzas gravitacionales
se deja pasar un volumen poroso por el medio del lecho adsorbente (3), de tal forma que
a la salida la solución pase por un papel filtro (4) con ayuda de la bomba de vacío (6). El
papel filtro se seca y se pesa para determinar el contenido de finos presente con el fin de
construir una curva de concentración contra volumen poroso. El lecho adsorbente
empacado con arena se prepara con 50% de la arena 10/20 y 50% de la arena 30/40 de
tal forma que la arena con mayor tamaño de grano se encuentra en la parte inferior.
58
Capítulo 6
Figura 9 Esquema del montaje para realizar las pruebas de adsorción [3].
Se deja pasar la cantidad de volúmenes porosos necesarios para saturar el lecho, esto
se evidencia en la cantidad de finos que quedan en el papel los cuales deben coincidir
con la concentración inicial del volumen poroso. En la Tabla 9 se presenta el volumen
poroso medido para cada tipo de lecho y la cantidad de finos presente en cada volumen
poroso.
Tabla 9. Volumen poroso de cada lecho
LechoVolumen
poroso (ml)
Cantidad de finos
en cada volumen
poroso (g)
Esferas de
vidrio28.5 0.057
Arenas
humectable
s al agua
9.4 0.018
Arenas con
daño por
asfaltenos
5.2 0.01
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
59
4.4. Resultados y discusión
En la Figura 10 se presenta el comportamiento de esferas de vidrio sin impregnar e
impregnadas con nanopartículas al fluir los volúmenes porosos compuestos por la
solución de finos. En el caso de la curva de esferas de vidrio sin impregnar no se observa
ninguna retención del soluto lo que muestra que no se presenta ningún fenómeno
adsortivo.
Se observa que al impregnar nanopartículas a las esferas de vidrio, se presenta un
fenómeno adsortivo debido a que el nanomaterial adsorbe cierta cantidad del soluto,
representados como los finos en suspensión. A bajos volúmenes porosos inyectados, se
observa para las esferas impregnadas con los tres tipos de nanopartículas, que el
efluente empieza a salir del lecho con cierta concentración de finos. Para el caso de las
nanopartículas CoreShell al tercer volumen poroso el lecho llega al punto de saturación,
esto se debe a que la adhesión de las nanopartículas en la superficie de la esfera de
vidrio fue mínima, de los 0.285 gramos de nanopartículas que se impregnaron en la
superficie del material el 50% se desprendió y salió antes de iniciar con el primer
volumen poroso. Para el caso de las esferas impregnadas con magnetita, solo el 2% se
desprendió antes del primer volumen poroso y en el caso de las esferas impregnadas
con sílice se desprendió el 12%. Con respecto a las esferas impregnadas con
nanopartículas de sílice y magnetita las que presentan una mayor retención son las de
magnetita, esto debido a su naturaleza magnética. Las nanopartículas Core-Shell por la
ruta de síntesis llevada a cabo pierden capacidad magnética.
60
Capítulo 6
Figura 10 Inhibición de migración de finos esferas.
En la Figura 11 se presenta el comportamiento para los lechos de arena humectables al
agua. Para la arena sin ningún tipo de impregnación se observa una retención nula. Para
el caso de las arenas impregnadas con nanopartículas, estas tienen un efluente libre de
finos hasta el segundo volumen poroso. Al igual que el caso de las esferas, la magnetita
permite una mayor retención de finos. En el caso de la arena impregnada con
nanopartículas CoreShell y Sílice, presentan comportamientos similares, y su saturación
se presenta en el volumen poroso inyectado No. 10, un volumen poroso antes que la
arena impregnada con magnetita. En este caso las nanopartículas tuvieron una mayor
adherencia a la superficie de la arena, la perdida de nanopartículas core-shell fue menor
al 10%, por lo cual la retención de finos comparada con los lechos de esferas es superior.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
61
Figura 11 Curvas Inhibición de migración de finos en arena.
En la Figura 12 se observa una tendencia similar a los lechos anteriores, el lecho con
mayor capacidad de retención es para el lecho impregnado con magnetita. En este caso
no hubo pérdida de nanopartículas, el 100% de nanopartículas fue retenido en la
superficie de la arena. Por otro lado en la arena con daño, el lecho permite adicionar una
mayor cantidad de volúmenes porosos antes de que el efluente empiece a salir con una
mayor cantidad de finos. Los resultados presentados en el Figura 12, concuerdan con los
resultados presentados por Ogolo et al. [27], los cuales reportan que la presencia de
hidrocarburos en arenas tiene una influencia positiva en el rendimiento de las
nanopartículas.
62
Capítulo 6
Figura 12 Inhibición de migración de finos en arena con daño.
Comparando los resultados anteriores para la magnetita se observa que el grado de
saturación para el lecho de arena humectable al agua se establece alrededor del
volumen poroso 11, para la arena con daño en el volumen 10 y para las esferas en el
volumen 8. Por lo común, el tiempo de saturación, decrece al decrecer la altura del lecho,
al aumentar el tamaño de partícula del adsorbedor, al incrementar el flujo del fluido a
través del lecho y al crecer el contenido inicial de soluto de la alimentación.
Estabilización de Finos en lechos de arena 5.– inhibidor comercial.
En esta segunda etapa del proyecto, se utiliza un nanofluido comercial a base de sílice y
alúmina. Se preparan cinco concentraciones diferentes de tratamiento, utilizando
salmuera de KCl para reducir la concentración original de 3.6% a 1%, 0.5%, 0.01%,
0.05% y 0.025%. La suspensión de finos es preparada con micropartículas de Ilita,
Caolinita y Cuarzo en una salmuera con KCl. Cada volumen poroso tiene una
concentración de finos de 2400ppm, un 2% respecto del peso del lecho de arena.
5.1. Preparación del lecho y procedimientos de operación
Para la preparación de los lechos adsorbentes con arena se utiliza arena de Ottawa. Tres
lechos fueron preparados:
1) Lecho humectable al agua (arena lavada).
2) Lecho humectable al aceite, una arena dañada utilizando un crudo Cupiagua de
38°API
3) Lecho tratado con la suspensión de nanopartículas.
El procedimiento es el siguiente:
Se lava la arena con agua desionizada y se filtra hasta que el agua no presente
color alguno. Posteriormente las arenas se secan a 120°C. La arena después
del proceso de lavado se utiliza como la arena humectable al agua.
64
Capítulo 6
Para simular el medio poroso humectable al aceite, la arena fue sometida a un
proceso de daño con un crudo Cupiagua de 38°API. Para inducir el daño en la
arena se prepara una solución n-heptano y crudo en relación volumétrica en
relación 40ml/1g con el fin de favorecer la precipitación de asfaltenos.
La arena se sumerge en la solución durante 24 horas a 40°C y se agita
constantemente a 500 rpm.
Posteriormente la arena se seca a 120°C para luego lavarla con n-heptano y
retirar residuos de crudo, y con agua destilada hasta que no presente color
alguno.
Finalmente la muestra se seca a 120°C para retirar cualquier remanente de
agua y solvente.
Se realizó una prueba de humectabilidad para corroborar el cambio del medio poroso
humectable al aceite. Se utilizó un núcleo ciego el cual fue preparado compactando el
lecho, una vez se tuvo el núcleo se procedió a adicionarle una gota de agua a la
superficie del núcleo, donde se observó que la gota no fue absorbida por el núcleo y el
ángulo de contacto fue superior a 90°.
Los 5 tratamientos de nanopartículas, se inyectan cada uno en contra-corriente hasta
completar un volumen poroso, posteriormente se deja reposar dentro del lecho por 12
horas para asegurar la adsorción de las nanopartículas en los granos de arena.
En montaje experimental es el mismo utilizado en las pruebas de inhibición anteriores, el
cual se presenta en la Figura 9.
5.2. Resultados y discusión
En la Figura 13 se presentan las curvas de avance hasta llegar al equilibrio en los lechos
empacados humectables al agua.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
65
Figura 13 Curvas de avance porcentual de lechos de arena humectables al agua.
En la Figura 13 se presenta los evaluación del tratamiento utilizado a diferentes
concentraciones en salmuera, se puede inferir que la adición del nano-fluido genera
inhibición a la migración de finos, y que al aumentar la concentración de nanopartículas
desde 0 hasta 0,5% wt mejora la inhibición y el control a la migración de finos, hasta
concentraciones superiores al 0,5%wt de nanopartículas.
Se espera que al aumentar el contenido de nanopartículas en el lecho puede generar un
taponamiento en las gargantas o una disminución en los volúmenes de poro por
fenómenos de atracción, de agregación y por diferencia de cargas entre las
nanopartículas y los finos migrantes de arcillas de cuarzo, ilita y caolinita en los lechos.
Es de notar que la mejor concentración de nanopartículas para el control e inhibición de
las partículas finas de arcillas es la de 0.5%wt de nanopartículas, llegando al equilibrio de
adsorción en el doceavo volumen poroso.
Las concentraciones de 0.025%wt, 0.05%wt y 0,1%wt de nanopartículas muestran
mejoras en la reducción de la migración de finos, donde se ve una tendencia, la cual a
medida que la concentración del tratamiento aumenta mejora el control e inhibición a la
migración de partículas finas. A concentraciones superiores al 0.5%wt de nanopartículas
66
Capítulo 6
se observa que el tratamiento pierde su efecto en el control de la migración de las
partículas finas, ya que a concentraciones superiores de 0.5%wt se satura el lecho de
nanopartículas y al inyectar los finos estos arrastran el tratamiento por fenómenos de
atracción y aglomeración.
En el caso de la curva de ruptura de la arena humectable al agua sin ninguna
impregnación de nanopartículas, se observa que llega al equilibrio casi inmediatamente
(segundo volumen poroso), lo que describe que no se presentan fenómenos de
adsorción o atracción entre la arena y los finos migrantes en el lecho.
Tabla 10. Características de los lechos humectables al agua.
La Tabla 10 presenta los lechos humectables al agua con las diferentes concentraciones
de tratamiento. Al comparar la cantidad de finos retenidos por las nanopartículas
adheridas al lecho de arena en peso y porcentual, la cantidad de finos retenida
incrementa al incrementar la concentración en peso de nanopartículas, viéndose un
máximo control a la migración de finos con una concentración de 0.5%wt de
nanopartículas, encontrándose mejoras en la migración de finos del 22%.
Para realizar esta comparación, se realizó la experimentación haciendo fluir en el lecho la
mayor cantidad de finos soportada en todas las pruebas, es decir un volumen de 384 ml,
equivalente a 0,85 gr de partículas finas.
Concentración
Tratamiento
Preparada
%wt
Concentración
Tratamiento
Adsorbido en
Roca %wt
Cantidad de
Finos
Adsorbida (g)
Cantidad de
Finos No
adsorbidos (g)
Capacidad de
Retención (%)Migración (%)
Blanco Blanco 0,03 0,82 0,03 0,97
0,025 0,0175 0,08 0,77 0,09 0,91
0,050 0,035 0,09 0,75 0,11 0,89
0,100 0,07 0,11 0,74 0,12 0,88
0,500 0,35 0,21 0,64 0,25 0,75
1,000 0,7 0,17 0,67 0,20 0,80
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
67
Figura 14 Curvas de ruptura en el equilibrio de lechos de arena humectables al aceite.
En la Figura 14 se muestran las curvas de ruptura en el equilibrio para los lechos de
arena humectables al aceite, donde se puede observar que la interacción de las
nanopartículas sobre las partículas finas de arcillas, causan control e inhibición a la
migración de los finos en los lechos humectables al aceite. En la ¡Error! No se
ncuentra el origen de la referencia. también se puede observar al igual que en la
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., que la concentración de 0,5%wt de
anopartículas en salmuera es la que mejor se desempeña como inhibidor en la migración
de finos, en este caso retuvo hasta 11 volúmenes porosos, mientras que las otras
concentraciones alcanzan el equilibrio entre el tercero y octavo volumen poroso.
Para la curva de ruptura del lecho de arena humectable al aceite sin nano-tratamiento
muestra el mismo comportamiento del lecho humectable al agua sin nano-tratamiento,
llegan al equilibrio al segundo volumen poroso.
La diferencias de humectabilidades mostro que, para la arena humectable al crudo el
caudal de finos es superior debido a que el lecho es hidrófobo y el agua fluye con mayor
68
Capítulo 6
facilidad, lo que género menor tiempo de interacción entre las nanopartículas adheridas
al lecho y el flujo de finos, disminuyendo la actividad adsortiva de las nanopartículas. El
lecho humectable al agua, al poseer afinidad al agua tenia menor caudal, el cual causo
que los finos migrantes en el lecho tuvieran mayor interacción con las nanopartículas
generando un efecto positivo en la retención de las partículas finas.
Haciendo un comparativo entre la Figura 13 y Figura 14, se puede decir que, la mejor
concentración de nanopartículas es de 0,5%wt y que al tener un concentración de
superior o igual al 1%wt de nanopartículas, el tratamiento ya no es efectivo para el
control e inhibición de partículas finas como muestra la Figura 15.
Figura 15 Comparación de resultados de volúmenes inyectados de finos vs concentración en peso de nanopartículas para lechos humectables al agua y al aceite.
La Figura 15 presenta la afinidad del tratamiento a los lechos humectables al agua,
donde se evidencia mayores retenciones de partículas finas y un control a la migración
de estas. Se puede deducir que a concentraciones menores a 0,5% y mayores a este
mismo valor no serían las ideales para el control e inhibición de la migración de estos
finos de caolinita, ilita y cuarzo en los lechos empacados de arena humectable al agua y
al aceite.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
69
La Tabla 11 presenta el comportamiento de las diferentes concentraciones de
nanopartículas en salmuera para los lechos humectables al aceite, mostrando que a
diferencia de los lechos humectables al agua, para una concentración de 0.5%wt de
nanopartículas se tuvo una retención del 13%, disminuyendo su capacidad de retención
en 12% por la diferencias de humectabilidades y alteración del medio poroso.
Tabla 11. Características de los lechos humectables al aceite.
5.3. Aplicación del modelo DVLO
En esta sección se presenta el modelamiento energético que pretende explicar el
fenómeno de adsorción de finos mediante la adición de nanopartículas a los lechos de
arena. Se realizó la evaluación del modelo DLVO, evaluando el tratamiento a dos
concentraciones, una alta y una baja, con el objetivo de determinar las diferencias
significativas en la energía de interacción total, que permita entender
fenomenológicamente la adsorción de partículas finas en la superficie del lecho de sílice.
La Tabla 12, presenta las constantes contribuyentes al cálculo de la energía total de
interacción del sistema.
Concentración
Tratamiento
Preparada %wt
Concentración
Tratamiento
Adsorbido en
Roca %wt
Cantidad de
Finos
Adsorbida
(g)
Cantidad de
Finos No
Adsorbida
(g)
Capacidad
de
Retención
(%)
Migración
(%)
Blanco Blanco 0,0004 0,77 0,00 1,00
0,025 0,02 0,0064 0,77 0,01 0,99
0,050 0,04 0,0624 0,71 0,08 0,92
0,100 0,08 0,0524 0,72 0,07 0,93
0,500 0,40 0,1029 0,67 0,13 0,87
1,000 0,80 0,0852 0,69 0,11 0,89
70
Capítulo 6
Tabla 12. Constantes Involucradas en el cálculo de Vt
.
La Figura 16 presenta las energías de interacciones obtenidas después de aplicar el
modelo propuesto por la teoría DVLO.
Figura 16 Energía de interacciones totales del sistema en relación con la distancia de separación, para arena humectable al agua.
La Figura 16 presenta la energía total de interacciones del sistema en relación a la
distancia de separación entre la superficie del lecho de arena humectable al agua y las
partículas finas. Se nota que a distancias superiores a 60 nanómetros el sistema
presenta una energía de interacciones constante, esto se puede interpretar como la no
interacción entre las partículas finas y la superficie principal (lecho con nanopartículas),
por tanto a distancias superiores a 60 nanómetros no hay retención de finos.
Símbolo Termino Valore Constante Dieléctrica 6,94E-10
ap Radio de Partícula 4,00E-05
k Longitud Debye Inversa 1,04E+08
T Temperatura 297
Ah Constante Hamaker 6,00E-21
Kb Constante de Boltzmann 1,38E-23
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
71
Se observa que a concentraciones bajas de tratamiento, la energía de interacción
decrecen levemente en relación al blanco, esto debido a un cambio en el potencial de
carga de la superficie del lecho, este parámetro es muy importante debido a que tiene
influencia en la intensidad del campo eléctrico resultante entre la capa dispersa y la capa
móvil, donde la capa dispersa es la capa más próxima a la superficie donde hay un
equilibrio de las cargas eléctricas, y la capa móvil es el punto donde las cargas aún
continúan migrando, por tanto si el valor de potencial de superficie cambia habrá un
movimiento orientado de las cargas que se encuentran en el sistema, por tanto un
movimiento orientado de las partículas finas, hacia la superficie del lecho.
El hecho de disminuir la energía se interpreta como un aumento de la fuerza repulsiva, la
cual tiene mayor influencia en la retención de finos en comparación con las fuerzas
atractivas [29]. Por esta razón a concentraciones elevadas de nanopartículas, el cambio
en el potencial de superficie es mayor, lo que indica un delta energético mayor, por tanto
se da la retención de cargas en mayor medida y por esto existe mayor capacidad en la
retención de las partículas finas. Igualmente, a distancias superiores de 60 nm se
observa que las energías no varían, por tanto no se da ninguna retención de partículas
finas. Este comportamiento se presenta a la misma distancia independientemente del
tratamiento adicionado.
Figura 17 Energía de interacciones totales del sistema en relación con la distancia de separación, para arena humectable al aceite.
72
Capítulo 6
La Figura 17 presenta la energía total de interacciones del sistema en relación a la
distancia de separación entre la superficie del lecho humectable al aceite y las partículas
finas. Se mantiene la tendencia energética mostrada en la Figura 16. Se observa que a
distancias superiores a 60 nanómetros el sistema presenta una energía de interacciones
constante, esto se puede interpretar como la no interacción entre las partículas finas y la
superficie principal (lecho con nanopartículas), por tanto a distancias superiores a 60
nanómetros no hay retención de finos.
Por lo general la superficie de sílice presentan partículas cargadas negativamente, las
nanopartículas de alúmina poseen carga positiva [27], por tanto se atraen entre sí y crean
un variación en el campo eléctrico presente en el sistema en contacto con las partículas
finas, esa variación genera una descompensación energética de las partículas de finos,
por tanto comienzan a acercarse a la superficie que se encuentra con un valor de
potencial de superficie nuevo. Al momento de adicionar crudo a la superficie de la arena,
se agregan mayor cantidad de cargas negativas a las ya existentes en el lecho, por tanto
al momento de agregar la misma cantidad de nanopartículas que al lecho de arena
humectable al agua, el sistema quedará cargado más negativamente en su superficie, lo
que generará una mayor repulsión entre las partículas, por tanto se da una adsorción de
finos menor en comparación al lecho humectable a la arena, esto sumado a que el
tiempo de contacto entre las nanopartículas y las partículas finas es mucho menor, por
tratarse de una superficie hidrofóbica, es claro que el efecto de inhibición de la migración
de finos se ve reducido cuando se trata de arena humectable al crudo.
El cambio de concavidad en la región cercana a los 10 nm de separación entre las
superficies, indica que se disminuye mucho la energía de repulsión propia de la doble
capa eléctrica, aunque aún es mayor que la fuerza atractiva propia de las interacciones
de tipo London Van der Waals, esto lo indica el signo positivo de la energía total.
Igualmente en esta región se ejerce una fuerza mayor de retención de finos, porque
mientras más atracción ejerza la superficie con los finos, la repulsión será mucho menor.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
73
Estos resultados son coherentes con los encontrados en las curvas de ruptura, donde se
determinó la cantidad efectiva de nanopartículas en la inhibición de la migración de finos.
5.4. Caracterización por medio de SEM
El objetivo de este análisis es analizar imágenes de alta resolución que permita clarificar
el fenómeno que ocurre en las pruebas anteriores. La Figura 18 presenta las imágenes
obtenidas por microscopía electrónica SEM, la figura a presenta las nanopartículas
obtenidas después de poner a secar el tratamiento a 50°C por 24h, la figura b representa
el grano de arena propia del lecho de sílice, la Figura 18 – c, presenta la aglomeración de
nanopartículas en la superficie de la arena de sílice, y la Figura 18 – d, presenta la
adsorción de partículas finas en la superficie de la arena.
(a)
(b)
(c) (d)
74
Capítulo 6
Figura 18 Imágenes de Microscopía de Barrido SEM, para las muestras de sílice.
Dentro de esta caracterización, se realizó un análisis químico mediante dispersión de
rayos X, EDS. El análisis consiste en determinar los elementos presentes en la muestra
analizada en la prueba de microscopía.
(a)
Element Weight% Atomic%
C 26.82 38.10
O 37.85 40.37
Na 8.48 6.29
Al 13.54 8.56
S 5.24 2.79
Cl 8.08 3.89
Totals 100.00
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
75
(b)
Element Weight% Atomic%
C 7.91 13.16
O 39.65 49.53
Si 52.44 37.31
Totals 100.00
(c)
Element Weight% Atomic%
C 26.93 38.42
O 36.80 39.42
Na 0.64 0.48
Al 1.43 0.91
Si 33.38 20.37
Cl 0.81 0.39
Totals 100.00
76
Capítulo 6
(d)
Element Weight% Atomic%
C 4.02 6.50
O 51.87 62.97
Al 0.68 0.49
Si 43.43 30.04
Totals 100.00
Figura 19 Imágenes de Microscopía de Barrido SEM con EDS, para las muestras de sílice.
En la Figura 19 se presenta el análisis EDS, en la parte izquierda de la Figura se observa
un recuadro, esto indica la zona donde se realiza el análisis, y a la derecha los elementos
que la componen, para la Figura 19 – a, se presenta un análisis de composición química
de los elementos principales presentes en la nanopartícula obtenida después del secado
del tratamiento, se nota la presencia de aluminio, sodio, oxigeno como componentes
principales, igual se presentan algunas trazas de cloro, propias de la salmuera medio en
el cual estaba inmersa. La Figura 19 – b, corresponde a la arena impregnada con
nanopartículas, aquí el análisis químico se hace en un punto marcado como NA, muestra
que el elemento principal es sílice, correspondiente al grano de arena del lecho. La
Figura 19 – c, corresponde igualmente a la arena impregnada con nanopartículas pero
esta vez se realizó el análisis químico en la zona donde se cree haber nanopartículas
agregadas, efectivamente el análisis muestra la presencia de sodio, aluminio, oxígeno y
sílice, lo que indica la presciencia de alúmina en la superficie de la roca, en este caso la
arena. La Figura 19 – d, corresponde a la muestra que tiene contenido de nanopartículas
y de partículas finas adsorbidas en la superficie de la roca, se nota en el análisis químico,
nuevamente la presencia de aluminio, y sílice, componentes principales en la
experimentación de adsorción de finos mediante el uso de nanopartículas inmersas en
salmuera.
Estimación Experimental de tasa critica de 6.Migración de Finos para muestra del pozo Cupiagua B4 del Campo Cupiagua.
Finalmente se lleva a cabo las pruebas de desplazamiento con el fin de caracterizar y
evaluar el flujo de partículas finas en la formación Barco para el campo Cupiagua; antes
y después de aplicado tratamiento estabilizador. Con las pruebas de desplazamiento se
evaluó la efectividad del nanofluido como agente estabilizador de partículas finas y la
perdurabilidad del mismo.
6.1 Datos Preliminares
Para el desarrollo de las prueba experimental, se seleccionó el core 571 en conjunto con
el grupo de Yacimientos e ICP de Ecopetrol. Los parámetros para la selección de la
muestra refieren a la presencia efectiva de finos, la cual es característica de la formación
Barco del campo Cupiagua; adicional la distribución de tamaño de garganta de poro, la
cual se obtuvo por medio de la determinación de curvas de presión capilar, tomadas al
conjunto de muestras seleccionadas. En la Figura 20, se muestra la distribución de
tamaño de garganta de poro para el core seleccionado, esta evidencia un
comportamiento bimodal, con mayores frecuencias en radios de 0.35 y 1.4 μm, lo que
con lleva a un mejores condiciones de flujo del sistema.
A continuación se muestra en la Tabla 13, las características experimentales más
relevantes de toda la prueba.
Tabla 13 Características Experimentales
78
Capítulo 6
Figura 20 Distribución de tamaño de garganta de poro –core 571
6.2 Protocolo Experimental
A continuación se muestra el protocolo que se siguió para el desarrollo de todo el trabajo
experimental.
Tabla 14 Construcción de curvas base:
Características Valor
Longitud (cm) 5.95 Crudo: CUP NW 43
Diámetro (cm) 3.8 Tratamiento: Nano-fluido estabilizador
Volumen Total (cc) 67 de particulas finas
Volumen Poroso (cc) 3.4 Salmuera: Sintética
Porosidad (%) 5.07%
Compuesto Concentración (g/L)
Presión de confinamiento (psia): 5000 Alcalinidad (mg/L) : 578
Presión de poro (psia): 2500 SO4 (ppm) : 240
Caudal (cc/min): 0.2* Ba (mg/L) : 10
Temperatura (°F): 125°C Ca+ (mg/L) : 98
*Variable durante la prueba. CL- (mg/L): 1348
Composición de la salmuera
CARACTERÍSTICAS DEL CORE 571
CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS
CONDICIONES LA PRUEBA
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
79
Tabla 15 Determinación de velocidades críticas:
ProcedimientoCondiciones de
pruebaJustificación
1
Someter la muestra a procedimientos de
lavado, secado (Metanol Tolueno). Los
fluidos de inyección se deben preparar
para su aplicación sometiéndose a
desaireado y filtrado.
P y T de laboratorio.Preparar la muestra para la medición de
sus propiedades básicas.
2 Inyectar agua con q = 0.2 cc/min P y T de yacimiento Saturar la muestra de salmuera, medir
Kabs
3 Inyectar aceite con q=0.2 cc/min P y T de yacimiento Llevar la muestra a condiciones de Swr,
medir Ko @ Swr
5 Inyectar agua con q = 0.2 cc/min P y T de yacimiento Llevar la muestra a condiciones de Sor,
medir Kw @ Sor
6 Inyectar agua con q=0.4 cc/min P y T de yacimiento Medir al caudal correspondiente la Kw
@ Sor
7
8Inyectar agua en sentido de inyección
con q = QcriticaP y T de yacimiento Recuperar la permeabilidad del sistema
9Inyectar agua en sentido normal
(producción) con q = 0.2 cc/minP y T de yacimiento
Medir Kw @ Sor y garantizar que se ha
recuperado la permeabilidad
10 Inyectar aceite con q=0.2 cc/min P y T de yacimiento Medir al caudal correspondiente la Ko @
Swr
11
12Inyectar aceite en sentido de inyección
con q = QcriticaP y T de yacimiento Recuperar la permeabilidad del sistema
13Inyectar aceite en sentido normal
(producción) con q = 0.2 cc/minP y T de yacimiento
Medir Ko @ Swr y garantizar que se ha
recuperado la permeabilidad
Repetir el paso anterior con Qiny = 0.4, 0.7, 1, 1.2, 1.5….. Hasta evidenciar una caída de al menos 10%
en la permeabilidad efectiva al aceite.
Repetir el paso anterior con Qiny = 0.7, 1, 1.2, 1.5….. Hasta evidenciar una caída de al menos 10% en
la permeabilidad efectiva al agua.
80
Capítulo 6
Tabla 16 Inyección de tratamiento y evaluación:
6.3 Pruebas de desplazamiento antes del tratamiento
6.3.1 Tasa crítica (Permeabilidad absoluta):
Con el ánimo de conocer la naturaleza humectable de los finos del medio, se procedió a
realizar al momento del flujo de salmuera y núcleo limpio, la determinación de la tasa
critica a estas condiciones. Al contrastar estos resultados con los obtenidos ha estado de
saturación residual de aceite y fluyendo la misma fase; se puede conocer si la presencia
del aceite, efectivamente ejerce algún tipo de impacto en la movilidad de las partículas
finas.
Figura 21 Tasa critica permeabilidad absoluta
14Inyectar 1 vp de tratamiento estabilizador
con q = 0.2 cc/minP y T de yacimiento
Estabilizar las partículas finas del medio
poroso
15 Inyectar agua con q=0.4 cc/min P y T de yacimiento Medir al caudal correspondiente la Kw
@ Sor
16
17Inyectar agua en sentido de inyección
con q = QcriticaP y T de yacimiento Recuperar la permeabilidad del sistema
18Inyectar agua en sentido normal
(producción) con q = 0.2 cc/minP y T de yacimiento
Medir Kw @ Sor y garantizar que se ha
recuperado la permeabilidad
19 Inyectar aceite con q=0.2 cc/min P y T de yacimiento Medir al caudal correspondiente la Ko @
Swr
20
Repetir el paso anterior con Qiny = 0.7, 1, 1.2, 1.5….. Hasta evidenciar una caída de al menos 10% en
la permeabilidad efectiva al agua.
Repetir el paso anterior con Qiny = 0.4, 0.7, 1, 1.2, 1.5….. Hasta evidenciar una caída de al menos 10%
en la permeabilidad efectiva al aceite.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
81
En la Figura 21 se observa que a una tasa de flujo de 1.5 cc/min la permeabilidad del
sistema se ve reducida, definido el concepto de tasa critica como la ultima tasa a la que
el sistema no presentaba caida de permeabilidad por movilzacion de finos; la tasa critica
seria de 1.2 cc/min para flujo de salmuera unicamente.
6.3.2 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al aceite):
Para el caso de flujo de aceite se encontraron los siguientes resultados, todos a
condición residual de agua:
Figura 22 Tasa critica - Ko @ Sor (Antes de tratamiento).
De la Figura 22 se observa que fluyendo aceite al aumentar la tasa de 0.7 a 1 cc/min, se
alcanza una caída en la permeabilidad del 46%, con lo que se determinó que la tasa
critica es de 0.7 cc/min para el sistema sin de tratar.
6.3.3 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al agua):
Para el caso de flujo de agua se encontraron los siguientes resultados, todos a condición
residual de aceite:
82
Capítulo 6
Figura 23 Tasa critica - Kw @ Sor (Antes de tratamiento).
De la Figura 23 se observa que la mayor caída de permeabilidad se registra al subir la
tasa de inyección de 1.8 a 2.2 cc/min, con una caída del 31 % de la permeabilidad. Con
lo que se determina que la tasa critica del sistema al agua es de 1.8 cc/min.
De los desplazamientos adelantados antes de tratamiento se puede observar dos
características importantes, en primer lugar que la tasa critica al agua (1.8 cc/min) es
mucho mayor a la del aceite (0.7 cc/min). En segundo lugar al encontrarse en un
escenario sin saturación residual de aceite (Qcrit = 1.2 cc/min), con uno donde si la ahí
(Qcrit = 1.8 cc/min) fluyendo agua; se deduce que la presencia de aceite en el medio,
beneficia la estabilización de las partículas finas.
Las dos características anteriores, sugieren que las partículas finas en el medio poroso,
presentan tendencia a ser humectadas al aceite.
6.4 Pruebas de desplazamiento después del tratamiento:
Después de determinadas las tasas críticas del sistema en su estado original se procedió
a inyectar un volumen poroso del tratamiento estabilizador de partículas finas y después
de doce horas de remojo se procedió a realizar la medición de las tasas críticas
nuevamente.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
83
6.4.1 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al aceite):
Para el caso de flujo de aceite se encontraron los siguientes resultados, todos a
condición residual de agua:
Figura 24 Tasa critica - Ko @ Swr (Después de tratamiento).
De la Figura 24 se observa que la mayor caída de permeabilidad se registra al subir la
tasa de inyección de 1.5 a 1.8 cc/min, con una caída del 43 % de la permeabilidad. Con
lo que se determina que la tasa critica del sistema al aceite es de 1.5 cc/min.
6.4.2 Tasa crítica (Permeabilidad efectiva al agua):
Para el caso de flujo de agua se encontraron los siguientes resultados, todos a condición
residual de aceite:
Figura 25 Tasa crítica - Ko @ Swr (Después de tratamiento
84
Capítulo 6
Finalmente de las Figura 25 observamos que la tasa crítica que se alcanza para el
sistema después de tratamiento es de 5 cc/min, para que, al momento de fluir por encima
de estas tasas, se llega a una pérdida de permeabilidad del 32 %, respecto a la anterior.
6.5 Contraste antes Vs después de aplicado el tratamiento:
En esta sección finalmente vamos a observar en un plano entero como fueron los
comportamientos de la tasa critica para ambas fases, antes y después de aplicado el
tratamiento estabilizador de partículas finas.
Figura 26 Tasa crítica al aceite - Antes y después de tratamiento
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación
Barco del campo Cupiagua
85
Figura 27 Tasa crítica al agua - Antes y después de tratamiento.
Finalmente de las Figura 26 y la Figura 27, se evidencia la efectividad del tratamiento
como agente estabilizador de partículas finas, de donde se tiene un escenario base, para
el que las tasa críticas son de 0.7 cc/min y para el agua de 1.8 cc/min. En seguida de
aplicado el tratamiento se alcanza una tasa critica para el aceite de 1.5 cc/min y para el
agua de 5 cc/min. Esto quiere decir que el tratamiento logra aumentar la tasa critica para
ambas fases en un factor de 2.14 veces la velocidad critica inicial para el caso del aceite
y en 2.8 veces la velocidad critica inicial para el agua
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación Barco del
campo Cupiagua
Conclusiones 7.
La inhibición en la migración de finos se ve favorecida al utilizar nanopartículas,
las cuales permiten crear un puente de fuerzas electrostáticas entre las
partículas finas y el lecho, favoreciendo las fuerzas de atracción por encima de
las fuerzas de repulsión.
La magnetita, Fe3O4, presentó una mayor capacidad de retención en los tres
tipos de lechos evaluados, lo cual puede estar asociado a su poder magnético.
Por otro lado, las nanopartículas CoreShell, son menos magnéticas que la
magnetita a causa de su recubrimiento superficial de sílice y además son
hidrofóbicas, lo cual puede ocasionar problemas de impregnación en los lechos
y por lo tanto disminuir su capacidad de retención de finos en la superficie.
En las pruebas de desplazamiento las partículas finas presentes en medio
evidencian una tendencia a ser humectadas por aceite, lo cual se refleja en
menores velocidades críticas para el agua en presencia de saturación residual
de aceite y mayores velocidades críticas para el flujo de agua en relación al
aceite.
El tratamiento aumenta efectivamente la velocidad critica del sistema para el
flujo de ambas fases, lográndose en promedio alcanzar velocidades mayores a
dos veces la velocidad critica original del sistema; lo cual permite validar la
efectividad de la tecnología propuesta como agente estabilizador de partículas
finas.
Desarrollo de un Nanofluido para la estabilización de finos de la formación Barco del
campo Cupiagua
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